La produzione di alluminio genera ogni anno circa 180 milioni di tonnellate di fanghi rossi tossici. Gli scienziati del Max-Planck-Institut für Eisenforschung, un centro di ricerca sul ferro, hanno ora dimostrato come è possibile produrre acciaio verde dagli scarti della produzione di alluminio in un modo relativamente semplice. In un forno elettrico ad arco simile a quelli utilizzati da decenni nell'industria siderurgica, convertono l'ossido di ferro contenuto nel fango rosso in ferro utilizzando plasma di idrogeno.
Con questo processo si emettono quasi 700 milioni di tonnellate di CO2 dai 4 miliardi di tonnellate di fango rosso accumulatisi finora in tutto il mondo, che corrispondono a un buon terzo della produzione annua di acciaio a livello mondiale, si potrebbe produrre acciaio esente da emissioni. Come dimostra il team Max Planck, il processo sarebbe anche economicamente sostenibile.
Secondo le previsioni, la domanda di acciaio e alluminio aumenterà fino al 60% entro il 2050. Eppure la produzione convenzionale di questi metalli ha un notevole impatto sull’ambiente. Otto per cento della CO2 globale Le emissioni provengono dall’industria siderurgica, rendendolo il settore con le più elevate emissioni di gas serra. Nel frattempo, l'industria dell'alluminio produce ogni anno circa 180 milioni di tonnellate di fango rosso, che è altamente alcalino e contiene tracce di metalli pesanti come il cromo.
In Australia, Brasile e Cina, tra gli altri, questi rifiuti vengono nella migliore delle ipotesi essiccati e smaltiti in gigantesche discariche, con conseguenti elevati costi di lavorazione. Quando piove forte, il fango rosso viene spesso spazzato via dalla discarica e, quando si asciuga, il vento può disperderlo nell'ambiente sotto forma di polvere.
Inoltre, il fango rosso, altamente alcalino, corrode le pareti di cemento delle discariche, provocando perdite di fango rosso che hanno già provocato disastri ambientali in diverse occasioni, ad esempio in Cina nel 2012 e in Ungheria nel 2010. Inoltre, grandi quantità di fango rosso anche i fanghi vengono semplicemente smaltiti in natura.
Potenziale di risparmio di 1,5 miliardi di tonnellate di CO2 nel settore siderurgico
"Il nostro processo potrebbe risolvere contemporaneamente il problema dei rifiuti della produzione di alluminio e migliorare l'impronta di carbonio dell'industria siderurgica", afferma Matic Jovičevič-Klug, che ha svolto un ruolo chiave nel lavoro come scienziato presso il Max-Planck-Institut für Eisenforschung. In uno studio pubblicato sulla rivista Nature , il team mostra come il fango rosso possa essere utilizzato come materia prima nell'industria siderurgica. Questo perché i rifiuti derivanti dalla produzione di alluminio sono costituiti fino al 60% da ossido di ferro.
Gli scienziati del Max Planck sciolgono il fango rosso in un forno elettrico ad arco e contemporaneamente riducono in ferro l'ossido di ferro contenuto utilizzando un plasma che contiene il 10% di idrogeno. La trasformazione, detta in gergo tecnico riduzione del plasma, dura appena dieci minuti, durante i quali il ferro liquido si separa dagli ossidi liquidi e può poi essere estratto facilmente. Il ferro è così puro che può essere trasformato direttamente in acciaio.
Gli ossidi metallici rimanenti non sono più corrosivi e solidificano durante il raffreddamento per formare un materiale simile al vetro che può essere utilizzato, ad esempio, come materiale di riempimento nel settore edile. Altri gruppi di ricerca hanno prodotto ferro dal fango rosso utilizzando un approccio simile con il coke, ma questo produce ferro altamente contaminato e grandi quantità di CO2 . L'uso dell'idrogeno verde come agente riducente evita queste emissioni di gas serra.
"Se l'idrogeno verde venisse utilizzato per produrre ferro dai 4 miliardi di tonnellate di fango rosso che sono stati generati fino ad oggi nella produzione globale di alluminio, l'industria siderurgica potrebbe risparmiare quasi 1,5 miliardi di tonnellate di CO2 ," afferma Isnaldi Souza Filho, responsabile del gruppo di ricerca presso il Max-Planck-Institut für Eisenforschung.
Anche i metalli pesanti presenti nel fango rosso possono essere virtualmente neutralizzati utilizzando il processo. "Dopo la riduzione abbiamo rilevato il cromo nel ferro", spiega Jovičevič-Klug. "È probabile che anche altri metalli pesanti e preziosi finiscano nel ferro o in un'area separata. È qualcosa che esamineremo in ulteriori studi. I metalli preziosi potrebbero quindi essere separati e riutilizzati."
Inoltre, i metalli pesanti che rimangono negli ossidi metallici sono saldamente legati al loro interno e non possono più essere eliminati con l'acqua, come può accadere con il fango rosso.
Tuttavia, produrre ferro dal fango rosso utilizzando direttamente l’idrogeno non solo apporta due benefici all’ambiente; ripaga anche dal punto di vista economico, come ha dimostrato il team di ricerca in un'analisi dei costi. Con l'idrogeno e una miscela di elettricità per il forno elettrico ad arco proveniente da fonti solo parzialmente rinnovabili, il processo è utile se il fango rosso contiene il 50% o più di ossido di ferro.
Se si considerano anche i costi per lo smaltimento dei fanghi rossi, solo il 35% di ossido di ferro è sufficiente per rendere economico il processo. Con l'idrogeno verde e l'elettricità, ai costi odierni, tenendo conto anche del costo di smaltimento in discarica del fango rosso, è necessaria una percentuale compresa tra il 30 e il 40% di ossido di ferro affinché il ferro risultante sia competitivo sul mercato.
"Si tratta di stime prudenti perché i costi per lo smaltimento dei fanghi rossi sono probabilmente calcolati piuttosto bassi", spiega Isnaldi Souza Filho. E c'è un altro vantaggio da un punto di vista pratico:i forni elettrici ad arco sono ampiamente utilizzati nell'industria dei metalli, comprese le fonderie di alluminio, poiché vengono utilizzati per fondere i rottami metallici. In molti casi, il settore dovrebbe quindi investire solo poco per diventare più sostenibile.
"Per noi era importante considerare nel nostro studio anche gli aspetti economici", afferma Dierk Raabe, direttore del Max-Planck-Institut für Eisenforschung. "Ora spetta all'industria decidere se utilizzare la riduzione plasmatica del fango rosso in ferro."
Ulteriori informazioni: Matic Jovičević-Klug et al, Acciaio verde dal fango rosso attraverso la riduzione del plasma di idrogeno a impatto climatico zero, Natura (2024). DOI:10.1038/s41586-023-06901-z
Informazioni sul giornale: Natura
Fornito dalla Max Planck Society
